水流作用下采动裂隙内沉积颗粒起动机制研究

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地面钻井瓦斯抽采是预防矿井瓦斯事故的重要措施之一。然而,在地面钻井瓦斯抽采工程实践中,由于瓦斯抽采气流携带的煤岩颗粒在采动裂隙内沉积会极大增加裂隙的瓦斯抽采阻力,导致钻井的瓦斯抽采量大幅度降低。现场实践表明,钻井瓦斯抽采量降低后,对采动裂隙进行水流冲刷能够显著提高钻井瓦斯抽采效果。本文采用了理论分析、实验研究及数值模拟,研究了水流作用下裂隙内沉积颗粒绕流特性和起动特性,揭示了绕流作用下颗粒起动机制,研究成果能为提升堵塞裂隙水流冲刷效果提供一定的理论指导。取得的主要研究成果如下:(1)建立了采动裂隙内水流流动模型,得到了裂隙内水流流动特性;定义了颗粒的球度、细长比及凸度3种形状参数,并分析了颗粒形状参数分布规律。研究表明,颗粒的细长比、凸度、球度都随着颗粒粒径的减小而增大,且不同粒径颗粒的形状参数均在一定范围内波动,颗粒的形状参数波动的范围随颗粒粒径增大而增大;基于裂隙内沉积颗粒受力分析,建立了基于力与力矩的颗粒起动的力矩平衡方程和力平衡方程;分析了颗粒裂隙间接触参数、颗粒力臂参数与颗粒起动方式、起动流速大小的相关关系,揭示了水流作用下裂隙内沉积颗粒的起动动力学特征。(2)分析了水流作用下裂隙内沉积颗粒的起动行为,探明了层流状态下沉积颗粒的4种运动状态及2种起动方式;研究了颗粒粒径、流体粘度对颗粒起动特性的影响规律,揭示了颗粒起动流速随粒径增大而增大、随流体粘度增大而减小的变化特性;提出了层流状态下裂隙内颗粒起动无量纲起动曲线,为裂隙内颗粒起动提供判定标准。(3)建立了水平裂隙内沉积颗粒绕流数值模拟模型,分析了球形颗粒、方形颗粒和椭球形颗粒的绕流流场特征,研究了颗粒形状、颗粒粒径、流体密度和粘度与流体对颗粒作用力的相关关系,从力与力矩角度揭示了沉积颗粒在绕流作用下从静止到开始起动的动力学过程。
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